CN102484271B - 燃料电池***的控制装置以及控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种负极非循环型的燃料电池***的控制装置(40)，具备：燃料电池(1)；容积部(12)，其能够暂时贮存从燃料电池排出的负极排气；排出单元(14)，其将负极排气排出至外部；以及温度检测单元(43)，其检测燃料电池的温度。该控制装置(40)具备控制向燃料电池进行的负极气体的供给的负极气体供给控制单元(55)。该负极气体供给控制单元(55)具有：负极上下限压力设定单元(61)，其设定负极上限压力和负极下限压力；负极升压速度设定单元(62)，其至少根据由温度检测单元检测出的燃料电池的温度来设定负极升压速度；以及负极气体升降压控制单元(63)，其重复进行升压和降压，其中，通过供给负极气体来进行升压，使压力以负极升压速度上升至负极上限压力，通过限制负极气体的供给来进行降压，使压力下降至负极下限压力。在由温度检测单元检测出的燃料电池的温度未达到规定温度的情况下，上述负极升压速度设定单元(62)将负极升压速度设定为比燃料电池的温度为规定温度以上的情况慢的速度。

Description

燃料电池***的控制装置以及控制方法
技术领域
本发明涉及一种对负极(anode)非循环型的燃料电池***的运转进行控制的控制装置以及控制方法。
背景技术
与使从燃料电池堆排出的未反应的排出负极气体循环来重新利用的负极循环型的燃料电池***相对地，已知一种不使负极气体循环而是对燃料电池堆供给负极气体的负极非循环型的燃料电池***。
日本特开2008-97966号公报中公开了如下的技术：在这种负极非循环型的燃料电池***中，在发电过程中反复对负极气体的供给压力进行升压和降压，来在负极气体流路内产生周期性的气流，由此对氮气等惰性气体滞留于燃料电池堆的一部分单体中的情况进行抑制，从而对负极催化剂层内的氢分压不足所导致的发电不良进行抑制。
发明内容
发明要解决的问题
然而，在包括冰点下环境的低温环境下使用上述燃料电池***的情况下，有时会由于燃料电池堆内的残留水冻结等的影响而无法将滞留于燃料电池堆内的惰性气体充分地完全排出，其结果是存在负极催化剂层内的氢分压不足而导致发电不良的情况。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种在负极非循环型的燃料电池***中、即使在低温环境下也能够有效抑制负极催化剂层内的氢分压不足所导致的发电不良、从而提高燃料电池的发电性能的燃料电池***的控制装置以及控制方法。
用于解决问题的方案
本发明的第一方式是一种燃料电池***的控制装置，该燃料电池***是负极非循环型的燃料电池***，具备：燃料电池；容积部，其能够暂时贮存从上述燃料电池排出的负极排气；排出单元，其将上述负极排气排出至外部；以及温度检测单元，其检测上述燃料电池的温度，该燃料电池***的控制装置的特征在于，具备负极气体供给控制单元，该负极气体供给控制单元控制向燃料电池进行的负极气体的供给，上述负极气体供给控制单元具有：负极上下限压力设定单元，其设定负极上限压力和负极下限压力；负极升压速度设定单元，其至少根据由上述温度检测单元检测出的上述燃料电池的温度来设定负极升压速度；以及负极气体升降压控制单元，其重复进行升压和降压，其中，通过供给负极气体来进行升压，使压力以上述负极升压速度上升至上述负极上限压力，通过限制负极气体的供给来进行降压，使压力下降至上述负极下限压力，其中，在由上述温度检测单元检测出的上述燃料电池的温度未达到规定温度的情况下，上述负极升压速度设定单元将上述负极升压速度设定为比上述燃料电池的温度为上述规定温度以上的情况慢的速度。
另外，本发明的第二方式是一种燃料电池***的控制方法，该燃料电池***是负极非循环型的燃料电池***，具备：燃料电池；容积部，其能够暂时贮存从上述燃料电池排出的负极排气；以及排出单元，其将上述负极排气排出至外部；该燃料电池***的控制方法的特征在于，包括以下步骤：检测上述燃料电池的温度，设定负极上限压力和负极下限压力，至少根据所检测出的燃料电池的温度来设定负极升压速度，以重复进行升压和降压的方式对上述燃料电池供给负极气体，其中，通过供给负极气体来进行升压，使压力以上述负极升压速度上升至上述负极上限压力，通过限制负极气体的供给来进行降压，使压力下降至上述负极下限压力，在所检测出的燃料电池的温度未达到规定温度的情况下，将上述负极升压速度设定为比燃料电池的温度为上述规定温度以上的情况慢的速度。
附图说明
图1是表示应用了本发明的燃料电池***的概要的结构图。
图2是表示由控制器进行的发电控制处理的整个流程的流程图。
图3是表示图2的步骤S101的目标发电电流运算处理的详情的流程图。
图4是表示示出了加速踏板操作量和车辆速度与目标驱动马达电力之间的关系的映射数据图像的图。
图5是表示示出了由燃料电池堆发出的目标发电电力和燃料电池堆的温度与由输出取出装置从燃料电池堆取出的目标发电电流之间的关系的映射数据图像的图。
图6是表示图2的步骤S106的氢控制处理的详情的流程图。
图7是说明计算目标下限压力的方法的具体例的控制框图。
图8是说明计算负极升压速度的方法的具体例的控制框图。
图9是表示示出了发电停止持续时间与第五校正系数之间的关系的映射数据图像的图。
图10是表示在控制器进行了氢气压力调节阀的驱动的情况下目标氢气压力以及实际氢气压力的动作的具体例的时间图。
图11是表示示出了燃料电池堆的温度和实际氢气压力与净化阀的开度之间的关系的映射数据图像的图。
图12是表示图2的步骤S107的空气控制处理的详情的流程图。
图13是表示示出了目标发电电流和实际氢气压力与目标空气流量之间的关系的映射数据图像的图。
图14是表示示出了目标空气流量和目标空气压力与空气压缩机指令转速之间的关系的映射数据图像的图。
图15是表示冰点下启动时燃料电池堆1的发电性能的负极升压速度灵敏度的图。
图16是表示冰点下启动时燃料电池堆1的发电性能的负极残留水量灵敏度的图。
图17是表示冰点下启动时燃料电池堆1的发电性能的放置时间灵敏度的图。
图18是表示冰点下启动时燃料电池堆1的发电性能的负极压力灵敏度的图。
具体实施方式
下面，参照附图来详细说明本发明的具体实施方式。
图1是表示应用了本发明的燃料电池***的概要的结构图。该图1所示的燃料电池***例如作为燃料电池车辆的驱动源被装载在车上，用于对燃料电池车辆的驱动马达、***内部的辅机等电负载装置供给电力，其具备堆叠多个燃料电池单体而构成的燃料电池堆1。
构成燃料电池堆1的各燃料电池单体例如是通过以隔板夹持膜电极接合体而构成的，在该膜电极接合体中，接受氢气(负极气体)的供给的氢极(负极)和接受作为氧化剂气体的空气的供给的空气极(正极)隔着固体高分子电解质膜相对配置。在构成该燃料电池堆1的各燃料电池单体的隔板中，在负极侧设置有流动氢气的负极气体流路，在正极侧设置有流动空气的空气流路。然后，含有氢的氢气被供给至各燃料电池单体的负极侧，含有氧的空气被供给至各燃料电池单体的正极侧，由此燃料电池堆1通过下面的式(1)和式(2)所示的电化学反应进行发电。
负极：H2→2H++2e-    …(1)
正极：2H++2e-+(1/2)O2→H2O    …(2)
燃料电池***除了进行发电的燃料电池堆1以外，还具备：氢***，其用于对燃料电池堆1供给氢气；空气***，其用于对燃料电池堆1供给空气；输出取出装置30，其对从燃料电池堆1取出的输出(例如电流)进行控制；以及控制器40，其对整个***的动作进行统一控制。
在氢***中，作为负极气体的氢气被贮存在燃料罐10(例如高压氢气瓶)中，从该燃料罐10经由氢气供给路(负极入口流路)L1被供给至燃料电池堆1。具体地说，氢气供给路L1的第一端部与燃料罐10相连接，而其第二端部与燃料电池堆1的负极气体供给用岐管的入口侧相连接。在该氢气供给路L1中，在燃料罐10的下游设置有气罐阀(未图示)。当该气罐阀变为开放状态时，来自燃料罐10的高压氢气通过设置于燃料罐10的下游的减压阀(未图示)以机械方式减少到规定压力。减压后的氢气通过设置于减压阀下游的氢气压力调节阀11进一步减压，之后被供给至燃料电池堆1。能够通过控制氢气压力调节阀11的开度来调整被供给至燃料电池堆1的氢气压力、即燃料电池堆1的负极中的氢气压力(负极压力)。
在本实施方式的燃料电池***中，燃料电池堆1的通向负极气体排出用歧管外部的出口侧基本上是闭塞的，对负极排气从燃料电池堆1的排出进行限制。即，本实施方式的燃料电池***是不使作为负极气体的氢气循环而是将氢气供给至燃料电池堆1的所谓的负极非循环型燃料电池***。但是，这并不是指严格意义上的闭塞，为了从负极排出氮气等惰性气体、液体等杂质，设置有能够例外地开放负极气体排出用歧管的出口侧的排出***。具体地说，燃料气体排出用歧管的出口侧连接有负极排气流路L2。负极排气流路L2的第二端部与后述的正极排气流路L6相连接。
负极排气流路L2中设置有容积部12，该容积部12具备规定容积作为内部空间，其中，该规定容积例如是与构成燃料电池堆1的所有燃料电池单体所需的负极侧容积相同程度或者其80％左右的容积。该容积部12作为暂时储存从负极侧排出的负极排气的缓冲器而发挥功能。容积部12的铅垂方向的下部连接有排水流路L3，该排水流路L3的一端部是开放的。该排水流路L3中设置有排水阀13。流入到容积部12的负极排气中所包含的液体在容积部12的下部积存。能够通过控制排水阀13的开闭状态来将所积存的液体排出至外部。另外，在负极排气流路L2中，在容积部12的下游侧设置有净化阀(排出单元)14。对于流入到容积部12的负极排气、具体地说是含有杂质(主要是氮气等惰性气体)和未反应氢气的气体，能够通过控制净化阀14的开闭状态来将其排出至外部。
另一方面，在空气***中，对于作为氧化剂气体的空气，例如当大气被空气压缩机20取入时对大气进行加压，经由空气供给流路L5将空气供给至燃料电池堆1。空气供给流路L5的第一端部与空气压缩机20相连接，并且其第二端部与燃料电池堆1中的空气供给用歧管的入口侧相连接。另外，在空气供给流路L5中设置有用于将向燃料电池堆1供给的空气加湿的加湿装置21。
燃料电池堆1中的空气供给用歧管的出口侧连接有正极排气流路L6。由此，来自燃料电池堆1的正极排气经由正极排气流路L6排出至外部。在该正极排气流路L6中设置有上述加湿装置21，在该加湿装置21处对正极排气进行除湿，将发电所生成的水分的一部分从正极排气中去除(所去除的该水分被用于对供给空气进行加湿)。另外，在正极排气流路L6中，在加湿装置21的下游侧设置有空气压力调节阀22。能够通过控制空气压力调节阀22的开度来调整被供给至燃料电池堆1的空气压力、即燃料电池堆1的正极中的空气压力(正极压力)。
在本实施方式的燃料电池***中，燃料电池堆1所发出的电力通过输出取出装置30被提供至例如车辆驱动用的驱动马达(未图示)、燃料电池堆1的发电动作所需各种辅机中。另外，通过控制输出取出装置30而从燃料电池堆1取出的电力也被供给至二次电池(未图示)。配备该二次电池以用来在***启动时或过度响应时等补充从燃料电池堆1供给的电力的不足。
控制器40具备将整个***统一进行控制的功能，通过按照控制程序进行动作来控制***的运转状态。作为控制器40，能够使用以CPU、ROM、RAM、I/O接口为主体构成的微计算机。该控制器40按照保存在ROM中的控制程序进行各种运算，将该运算结果作为控制信号输出至各种驱动器(未图示)中。由此，控制器40对氢气压力调节阀11、排水阀13、净化阀14、空气压缩机20、空气压力调节阀22、输出取出装置30这样的各种要素进行控制，从而控制燃料电池堆1的发电动作。
为了检测***的状态，来自各种传感器等的传感器信号被输入到控制器40中。作为用于检测***状态的传感器，例如可以列举出氢气压力传感器41、空气压力传感器42、堆温度传感器43、净化阀温度传感器44。氢气压力传感器41检测被供给至燃料电池堆1的氢气的压力。空气压力传感器42检测被供给至燃料电池堆1的空气的压力。堆温度传感器43检测燃料电池堆1的温度。净化阀温度传感器44检测净化阀14附近的温度。
在本实施方式的燃料电池***中，按照控制器40的控制来从氢***对燃料电池堆1供给作为负极气体的氢气，从空气***对燃料电池堆1供给作为氧化剂气体的空气，由此进行燃料电池堆1的发电。在这种情况下，控制器40对氢气和空气的供给进行控制，以使被供给至燃料电池堆1的氢气和空气的压力为所期望的运转压力。在此，控制器40在设定的上限压力与下限压力之间对被供给至燃料电池堆1的氢气的压力、即负极压力进行升降，以使该负极压力与正极侧的压力差为允许耐压以下，由此使得氮气等惰性气体、液体等杂质能够高效地排出至设置于负极排气流路L2的容积部12。而且，特别是在本实施方式中，在控制器40使负极压力上升下降时，根据来自堆温度传感器43的传感器信号来判断燃料电池堆1的温度是否未达到规定温度、即表示处于包括冰点下状态的低温状态，在燃料电池堆1的温度未达到规定温度的情况下，将负极升压速度设定为比燃料电池堆1的温度在规定温度以上的情况慢的速度。以下，进一步详细说明该控制器40的控制内容。
图2是表示控制器40的发电控制处理的整体流程的流程图。该图2的流程图中示出的处理是每隔规定时间周期(例如10[ms]周期)反复执行的。
当图2的流程开始时，控制器40首先在步骤S101中，根据驱动马达以及用于辅助燃料电池堆1发电的辅机等的消耗电力来运算要从燃料电池堆1取出的目标发电电流，以实现燃料电池车辆的驱动器所要求的驱动力。
接着，控制器40在步骤S102中，判断燃料电池堆1是否处于冰点下状态，即，判断是否为残存于燃料电池堆1内的水的一部分或全部在燃料电池单体的内部冻结的状态。具体地说，判断堆温度传感器43的温度检测值是否未达到第一阈值(规定温度)。然后，如果温度检测值未达到第一阈值，则判断为燃料电池堆1处于冰点下状态，对冰点下标志赋予1，如果温度检测值为第一阈值以上，则判断为燃料电池堆1未处于冰点下状态，对冰点下标志赋予0。在此，为了更正确地进行该判断，期望考虑到堆温度传感器43相对于燃料电池堆1的安装位置所导致的误差、堆温度传感器43本身的检测误差，来将用于判断燃料电池堆1是否处于冰点下状态的第一阈值设定为冰点温度+误差的温度。
接着，控制器40在步骤S103中，判断净化阀14是否由于冻结等原因处于封闭固结状态。具体地说，判断净化阀温度传感器44的温度检测值是否未达到第二阈值，若未达到第二阈值则判断为存在净化阀14封闭固结的可能性，对净化功能失效标志赋予1，如果上述温度检测值为第二阈值以上则对净化功能失效标志赋予0。在此，为了更正确地进行该判断，期望考虑到净化阀温度传感器44相对于净化阀14的安装位置所导致的误差、净化阀温度传感器44本身的检测误差量，来将用于判断净化阀14是否由于冻结等原因处于封闭固结状态的第二阈值设定为冰点温度+误差的温度。
接着，控制器40在步骤S104中判断燃料电池堆1的残留水量状态。例如，如果是燃料电池***启动时，则能够通过监视在上一次发电停止处理中是否进行了将残留于燃料电池堆1的生成水排出的干燥处理来进行该判断。即，在需要在下一次启动时使燃料电池堆1从冰点下状态起进行发电等的情况下，进行以下的干燥处理：通过在上一次发电停止处理中从空气压缩机20对燃料电池堆1供给空气，来将残留于燃料电池堆1的生成水排出，而在上一次发电停止处理中未实施这种干燥处理的情况下，判断为处于燃料电池堆1的残留水较多的状态，对湿润标志赋予1，在上一次发电停止处理中实施了干燥处理的情况下，对湿润标志赋予0。此外，燃料电池堆1的残留水量状态的判断并不限于如上那样的与干燥处理的实施状况相应的判断，例如，也可以使用交流阻抗法来估计燃料电池堆1的固体高分子膜的电阻值，根据该固体高分子膜的电阻值来判断固体高分子膜的湿润状态，从而决定湿润标志的值，其中，上述交流阻抗法如下：对燃料电池堆1施加高频成分的交流电流信号，根据其与电压信号行为之间的关系来估计阻抗。
接着，控制器40在步骤S105中获取燃料电池堆1的发电停止状态的持续时间。此外，关于发电停止持续时间，既可以实际测量从上一次发电停止时到下一次发电开始时的时间，也可以根据发电开始时的燃料电池堆1的状态来估计发电停止持续时间。
接着，控制器40在步骤S106中，根据步骤S101中计算出的目标发电电流以及步骤S102、S103、S104、S105中计算出的冰点下标志、净化功能失效标志、湿润标志、发电停止状态的持续时间的结果来计算目标氢气压力，对氢气压力调节阀11的开度进行控制，使得由氢气压力传感器41检测出的实际氢气压力追随目标氢气压力，另外，通过重复净化阀14的开闭动作，来排出氮气等惰性气体。
接着，控制器40在步骤S107中使用空气压缩机20对正极供给空气，对空气压力调节阀22的开度进行控制以使负极侧与正极侧之间的压力差为燃料电池堆1的压力差允许值以下。
接着，控制器40在步骤S108中根据步骤S101中计算出的目标发电电流来控制输出取出装置30以使其从燃料电池堆1取出电流。以上，结束发电控制处理。
此外，如图1所示，控制器40具有低温状态判断单元51、净化功能失效判断单元52、负极残留水量估计单元53、发电停止持续时间计算单元54以及负极气体控制单元55，例如，能够由低温状态判断单元51执行上述步骤S102，由净化功能失效判断单元52执行上述步骤S103，由负极残留水量估计单元53执行上述步骤S104，由发电停止持续时间计算单元54执行上述步骤S105，由负极气体控制单元55执行上述步骤S106。
图3是表示图2的步骤S101的目标发电电流运算处理的详情的流程图。下面，按照该图3的流程图来进一步详细说明要由输出取出装置30从燃料电池堆1取出的目标发电电流的运算内容。
当开始图3的流程时，控制器40首先在步骤S201中，根据设置于燃料电池车辆的加速踏板传感器的输出来检测驱动器的加速踏板操作量。
接着，控制器40在步骤S202中根据设置于燃料电池车辆的车速传感器的输出来检测燃料电池车辆的速度。
接着，控制器40在步骤S203中根据步骤S201和步骤S202中检测出的加速踏板操作量和车辆速度，使用图4所示的映射数据来计算目标驱动马达电力。
接着，控制器40在步骤S204中运算实际被辅机消耗的电力(实际辅机消耗电力)。该实际辅机消耗电力是指检测用于进行燃料电池堆1的发电的各辅机的电压和电流、将它们相乘从而运算出的辅机消耗电力，例如，如果是空气压缩机20等，则该实际辅机消耗电力是通过检测转速和扭矩并使将它们相乘而得到的值与损耗电力相加而运算出的。该损耗电力是通过将转速和扭矩输入到损耗映射数据中而估计出的。
接着，控制器40在步骤S205中运算要使燃料电池堆1发出的目标发电电力。该目标发电电力是指将步骤S203中计算出的目标驱动马达电力与步骤S204中计算出的实际辅机消耗电力相加而得到的电力值。
接着，控制器40在步骤S206中读入堆温度传感器43的传感器信号，来检测燃料电池堆1的温度。
接着，控制器40在步骤S207中根据步骤S205中计算出的要使燃料电池堆1发出的目标发电电力和步骤S206中检测出的燃料电池堆1的温度，使用图5所示的映射数据来计算要由输出取出装置30从燃料电池堆1取出的目标发电电流。以上，结束目标发电电流运算的处理。
此外，以上说明了在燃料电池***启动后的通常动作时的目标发电电流运算的处理，但是在燃料电池***启动时，步骤S205中计算出的目标发电电力仅仅是实际辅机消耗电力。即，在燃料电池***启动时，在步骤S201中加速踏板操作量被当做0，在步骤S202中车辆速度被当做0，在步骤S203中目标驱动马达电力被计算为0。然后，步骤S204中计算出的实际辅机消耗电力就在步骤S205中直接被计算为目标发电电力。
图6是表示图2的步骤S106的氢控制处理的详情的流程图。以下，按照该图6的流程图来进一步详细说明驱动氢气压力调节阀11和净化阀14来控制对负极的氢气供给的控制方法。
当开始图6的流程时，控制器40首先在步骤S301中计算对燃料电池堆1进行氢气供给后的上限压力的目标值(目标氢气压力的上限值，称为目标上限压力或负极上限压力)。在此，将燃料电池堆1的允许耐压的上限值设定为目标上限压力(负极上限压力)，由此，使用氢气压力调节阀11进行氢气供给直到达到尽可能高的负极压力，以抑制负极催化剂层内的氢分压不足所导致的燃料电池堆1的发电不良。另外，例如，当目标发电电流降低时发电所需的氢消耗量也减少，从而存在即使降低负极催化剂层内的氢浓度也能够确保发电所需的氢分压的倾向，因此，为了抑制空气压缩机20的消耗电力，在将燃料电池堆1的正极与负极之间的膜间压力差抑制在允许耐压以下的基础上，若存在想要将空气运转压力抑制为较低的要求等，则也可以在能够确保负极催化剂层内所需的氢浓度的水平上将目标上限压力设定为可以根据目标发电电流而变化。
接着，控制器40在步骤S302中计算对燃料电池堆1进行氢气供给后的下限压力的目标值(目标氢气压力的下限值，称为目标下限压力或负极下限压力)。在此，根据图2的步骤S102中计算出的冰点下标志的值和图2的步骤S103中计算出的净化功能失效标志的值来设定下限压力的目标值。
在此，使用图7的控制框图来说明计算目标下限压力(负极下限压力)的方法的具体例。
为了计算负极下限压力，首先，计算基准目标下限压力(图7的框101)。此处的基准意味着处于冰点下标志、净化失效标志都为0的状态，因而，基准目标下限压力意味着燃料电池堆1未处于冰点下状态且净化阀并未封闭固结时的目标下限压力。然后，在燃料电池堆1未处于冰点下状态且净化阀并未封闭固结的状况下，将从燃料电池堆1取出目标发电电流时不会产生负极催化剂层内的氢分压不足所导致的发电不良的最低压力设定为目标下限压力。另外，例如，当目标发电电流变低时发电所需的氢消耗量也减少，从而存在即使降低负极催化剂层内的氢浓度也能够确保发电所需的氢分压的倾向，因此，为了抑制空气压缩机20的消耗电力，在将燃料电池堆1的正极与负极之间的膜间压力差抑制在允许耐压以下的基础上，若存在想要将空气运转压力抑制为较低的要求等，则也可以在能够确保负极催化剂层内所需的氢浓度的水平上将目标下限压力设定为可以根据目标发电电流而变化。并且，例如，在燃料电池堆1能够利用净化阀14的开闭操作将氮气等惰性气体充分排出至外部的状态下，能够在不引起发电不良的范围内将目标下限压力设定得更低，因此，为了抑制空气压缩机20的消耗电力，在将燃料电池堆1的正极与负极之间的膜间压力差抑制在允许耐压以下的基础上，若存在想要将空气运转压力抑制为较低的要求等，则也可以使用以根据氢气压力传感器41和净化阀14的开闭状态而求出的从净化阀14排出的排出量累计值或者从开始供给氢气起的持续时间为输入的映射数据，将基准目标下限压力设定为可以根据该映射数据而变化。
接着，计算冰点下标志为1的情况下的目标下限压力(图7的框102)。在此，通过使框101中计算出的基准目标下限压力与第一校正系数相乘，来计算出冰点下标志为1的情况下的目标下限压力。在此，第一校正系数被设定为大于1的固定值。由此，作为冰点下标志为1的情况下的目标下限压力，会计算出高于基准目标下限压力的值。在冰点下标志为1时、即在燃料电池堆1处于冰点下状态时，由于残留于负极的水冻结而导致排出困难、温度降低导致气体扩散性降低等原因，负极催化剂层的氢分压降低而容易产生发电不良。第一校正系数被设定为如下的值：将目标下限压力设定为提高负极催化剂层的氢分压由于这些原因而降低的量，由此能够抑制该发电不良。在此，基于实验或设计来设定第一校正系数，使得燃料电池堆1在假设的下限温度(例如-20℃)环境下也能够作为燃料电池而成立。另外，例如也可以将第一校正系数设定为可以根据基于堆温度传感器43的温度检测值的映射数据而变化，由此，考虑到随着温度变高气体扩散性提高的影响，使得温度越高第一校正系数越小。
接着，根据冰点下标志的值，在框101中计算出的基准目标下限压力与框102中计算出的目标下限压力中选择某一个(图7的框103)。即，在框103中，在冰点下标志的值为1的情况下，输出框102中计算出的目标下限压力，在冰点下标志的值为0的情况下，输出框101中计算出的基准目标下限压力。
接着，计算净化失效标志为1的情况下的目标下限压力(图7的框104)。在此，通过使框103中选择出的目标下限压力与第二校正系数相乘，来计算出净化失效标志为1的情况下的目标下限压力。在此，第二校正系数被设定为大于1的固定值。由此，作为净化失效标志为1的情况下的目标下限压力，会计算出高于框103中选择出的目标下限压力的值，因此，即使在净化阀14由于冻结等的影响而封闭固结的情况下，也能够抑制由于负极催化剂层的氢分压不足所导致的发电不良。在净化失效标志为1时、即在净化阀14封闭固结时，在净化阀14通过燃料电池堆1的发电所带来的自身发热等受热而解冻之前的期间，氮气等惰性气体从正极侧透过至负极侧，由此负极催化剂层的氢分压降低而容易产生发电不良。基于实验或设计来设定第二校正系数，使得校正后的目标下限压力为如下的压力：即使在经过净化阀14解冻所需的最长时间之前的期间惰性气体从正极侧透过至负极侧时，也能够确保负极催化剂层的氢分压以抑制发电不良。
接着，根据净化失效标志的值，在框103中选择出的目标下限压力与框104中计算出的目标下限压力中选择某一个(图7的框105)。即，在框105中，在净化失效标志的值为1的情况下，输出框104中计算出的目标下限压力，在净化失效标志的值为0的情况下，输出框103中选择出的目标下限压力。
接着，用目标上限压力对框105的输出进行限制，使得不会将步骤S301中计算出的目标上限压力以上的值作为目标下限压力而输出(图7的框106)。
当如上那样计算出目标下限压力时，控制器40接着在步骤S303中计算对燃料电池堆1供给氢气后的目标升压速度(使目标氢气压力上升时的升压速度的目标值，下面也称为负极升压速度)。在此，根据图2的步骤S102中计算出的冰点下标志的值、图2的步骤S104中计算出的湿润标志的值、图2的步骤S105中计算出的发电停止持续时间的值来设定负极升压速度。
在此，使用图8的控制框图来说明计算负极升压速度的方法的具体例。
为了计算负极升压速度，首先，计算基准升压速度(图8的框201)。此处的基准意味着处于冰点下标志为0的状态，因而，基准升压速度是指燃料电池堆1不处于冰点下状态时的负极升压速度。在此，若在燃料电池***启动时是从燃料电池堆1的负极、正极都混入氧的状态起开始供给氢气的，则会在负极内形成存在氢的区域和不存在氢的区域(以下称为氢边界(hydrogenfront))。这样，在负极中被供给氢的区域中，发生与通常的动作状态同样的反应，产生正极侧的电位。而在负极中不存在氢的区域中，在与其对峙的正极侧发生下述式(3)所示的反应，其结果是会对承载Pt等催化剂的碳载体产生腐蚀等。
C+2H2O→CO2+4H++4e-    …(3)
因此，期望将基准升压速度设定为氢气压力调节阀11所能够控制的最快的值，以在燃料电池***启动时尽量缩短形成氢边界的期间，从而抑制上述现象所导致的碳腐蚀的产生。另外，在处于冰点下标志为0的状态时，认为残留于燃料电池堆1的水是以液体状态存在的，基于高效排出该液体状态的残留水的观点也期望将基准升压速度设定为尽可能快的值。
接着，计算处于冰点下标志为1的状态的情况下的负极升压速度(图8的框202～205)。
具体地说，首先，计算湿润标志为0的状态下的负极升压速度(图8的框202)。在此，通过使框201中计算出的基准升压速度与第三校正系数相乘，来计算出湿润标志为0的情况下的负极升压速度。在此，第三校正系数被设定为小于1的固定值。由此，作为湿润标志为0的情况下的负极升压速度，会计算出慢于框201中计算出的基准升压速度的速度。在冰点下标志为1且湿润标志为0时、即在上一次发电停止处理中进行了将残留于燃料电池堆1的生成水排除的干燥处理的情况下，在起动时燃料电池堆1处于冰点下状态时，由于残留于负极的水冻结而导致排出困难、温度降低导致气体扩散性降低等原因，负极催化剂层的氢分压降低而容易产生发电不良。根据实验或设计来设定第三校正系数，使得即使在假设的下限温度(例如-20℃)环境下变为上述状况，燃料电池堆1也能够作为燃料电池而成立。能够通过抑制负极升压速度来延长将残留于燃料电池堆1的氮气等惰性气体排出至容积部12的时间，另外，在对燃料电池堆1供给氢气时对各燃料电池单体之间的压损偏差所导致的供给氢气流量的偏差进行了抑制，由此，能够抑制负极催化剂层的氢分压降低所导致的发电不良。
接着，计算湿润标志为1的状态下的负极升压速度(图8的框203)。在此，通过使框202中计算出的负极升压速度与第四校正系数相乘，来计算出湿润标志为1的情况下的负极升压速度。在此，第四校正系数被设定为小于1的固定值。由此，作为湿润标志为1的情况下的负极升压速度，会计算出慢于湿润标志为0的情况的速度。在冰点下标志为1且湿润标志为1时、即在上一次发电停止处理中未进行将残留于燃料电池堆1的生成水排除的干燥处理的情况下，在起动时燃料电池堆1处于冰点下状态时，由于比湿润标志为0时更多的水残留于负极并且冻结而导致排出困难等的原因，负极催化剂层的氢分压降低而容易产生发电不良。根据实验或设计来设定第四校正系数，使得即使在假设的下限温度(例如-20℃)环境下变为上述状况，燃料电池堆1也能够作为燃料电池而成立。通过抑制负极升压速度来延长将残留于燃料电池堆1的氮气等惰性气体排出至容积部12的时间，另外，在对燃料电池堆1供给氢气时对各燃料电池单体之间的压损偏差所导致的供给氢气流量的偏差进行了抑制，由此，能够抑制负极催化剂层的氢分压降低所导致的发电不良。
接着，根据湿润标志的值，在框202中计算出的负极升压速度与框203中计算出的负极升压速度中选择某一个(图8的框204)。即，在框204中，在湿润标志的值为1的情况下，输出框203中计算出的负极升压速度，在湿润标志的值为0的情况下，输出框202中计算出的负极升压速度。
接着，对框204中选择出的负极升压速度进行与发电停止持续时间相应的校正(图8的框205)。在此，通过使框204的输出与第五校正系数相乘来对负极升压速度进行校正。在此，使用图9所示那样的基于发电停止持续时间的映射数据来将第五校正系数设定为不超过1的范围的值。由此，在长期放置等发电停止持续时间比预想的要长的情况下，负极升压速度被抑制得较低。在燃料电池堆1停止发电之后，随着发电停止持续时间的经过，燃料电池堆1内的水分布渐渐变化，由此产生更加难以将氢供给至负极催化剂层内的状况，而通过抑制负极升压速度，能够将更多的惰性气体排出至容积部12，从而能够抑制负极催化剂层的氢分压不足所导致的发电不良。
接着，根据冰点下标志的值，在框201中计算出的基准升压速度与框205中计算出的负极升压速度中选择某一个(图8的框206)。即，在框206中，在冰点下标志的值为1的情况下，输出框205中计算出的负极升压速度，在冰点下标志的值为0的情况下，输出框201中计算出的基准升压速度。
此外，在冰点下标志为1、湿润标志为1、且发电停止持续时间变长时，计算出的负极升压速度为使基准升压速度与第三～第五校正系数全部相乘后得到的值(负极升压速度＝基准升压速度×第三校正系数×第四校正系数×第五校正系数)，为最小值。根据实验或设计来设定该最小值，使得即使在假设的下限温度(例如-20℃)环境下变为上述状况，燃料电池堆1也能够作为燃料电池而成立。该最小值根据从启动后的燃料电池堆1取出电流的方式、各个燃料电池堆1的结构性特征(结构或布局、燃料电池单体的个数、气体流路长度等)而不同。例如，作为该最小值，能够通过在0.5[sec]左右的期间使负极压力从0[kPaG]上升到150[kPaG]来使燃料电池成立。
当如上所述那样计算出负极升压速度(目标升压速度)时，控制器40接着在步骤S304中读入氢气压力传感器41的传感器信号，来检测实际氢气压力。
接着，控制器40在步骤S305中使用步骤S301中设定的目标上限压力(负极上限压力)、步骤S302中设定的目标下限压力(负极下限压力)、步骤S303中设定的目标升压速度(负极升压速度)以及步骤S304中检测出的实际氢气压力来进行氢气压力调节阀11的驱动。
在此，使用图10的时间图来说明控制器40进行氢气压力调节阀11的驱动时的目标氢气压力以及实际氢气压力的动作的具体例。图10的(a)表示冰点下标志为1、净化失效标志为1、湿润标志为0的条件下的目标氢气压力和实际氢气压力的变化。图10的(b)表示冰点下标志为0、净化失效标志为0的条件下的目标氢气压力和实际氢气压力的变化。此外，目标发电电流等其它条件是(a)(b)共通的。图中，实线表示目标氢气压力的变化，虚线表示实际氢气压力的变化。
在图10的(a)中，首先，当在时刻T1开始供给氢气时，使目标氢气压力按步骤S303中设定的负极升压速度阶段性地升高至步骤S301中设定的目标上限压力PU。然后，对氢气压力调节阀11进行驱动，使得实际氢气压力与目标氢气压力一致。在此，根据目标氢气压力与实际氢气压力之间的偏差，使用PI控制等反馈控制来控制氢气压力调节阀11的开闭驱动。
接着，在时刻T2进行降低目标氢气压力以使实际氢气压力下降的处理。在此，在目标上限压力PU与实际氢气压力之间的偏差进入控制误差范围内的情况下，使目标氢气压力下降至目标下限压力PL1。在使目标氢气压力下降至目标下限压力PL1之后，通过发电的氢消耗，燃料电池堆1内的实际氢气压力渐渐下降。
接着，在时刻T3进行使目标氢气压力升高以使实际氢气压力再次上升的处理。在此，在目标下限压力PL1与实际氢气压力之间的偏差进入控制误差范围内的情况下，在保持步骤S303中设定的负极升压速度的同时使目标氢气压力升高至步骤S301中设定的目标上限压力PU。
之后，通过重复与时刻T2、T3同样的处理，来反复进行升降压运转。此外，在此，在要降低目标氢气压力的情况下，使其从目标上限压力PU瞬时降低至目标下限压力PL1，但是也可以在降压侧也对降压速度进行限制来降低目标氢气压力。通过这样对降压速度进行限制，能够抑制容积部12在降压时的每单位时间的压力变化，因此能够压制容积部12的气体紊乱，结果是能够防止氮气等惰性气体逆流至燃料电池堆1，以抑制负极催化剂层的氢分压不足所导致的发电不良。
在图10的(b)中，冰点下标志为0，净化失效标志为0，因此目标下限压力PL2为基准目标下限压力，负极升压速度为基准升压速度。然后，首先，当在时刻T1开始供给氢气时，使目标氢气压力按步骤S303中设定的负极升压速度瞬时升高至步骤S301中设定的目标上限压力PU。然后，对氢气压力调节阀11进行驱动，使得实际氢气压力与目标氢气压力一致。
接着，在时刻T2进行降低目标氢气压力以使实际氢气压力下降的处理。在此，在目标上限压力PU与实际氢气压力之间的偏差进入控制误差范围内的情况下，使目标氢气压力下降至目标下限压力PL2、即基准目标下限压力。
接着，在时刻T3进行使目标氢气压力升高以使实际氢气压力再次上升的处理。在此，在目标下限压力PL2与实际氢气压力之间的偏差进入控制误差范围内的情况下，使目标氢气压力以步骤S303中设定的基准升压速度升高。
之后，通过重复与时刻T2、T3同样的处理，来反复进行升降压运转。此外，关于负极升压速度，图10的(b)的情况下的负极升压速度大于图10的(a)的情况，因此存在图10的(b)的情况下的从T1到T2的时间与图10的(a)的情况相比短的倾向。另一方面，目标下限压力PL2小于PL1，因此存在图10的(b)的情况下的从T2到T3的时间与图10的(a)的情况相比长的倾向。
此外，在本实施方式中，以固定的升压速度(或降压速度)进行上升到目标上限压力的升压(或下降到目标下限压力的降压)，但是升压(或降压)的图案并不限定于此，例如也可以在达到目标上限压力(或目标下限压力)之前的升压(或降压)中途使升压速度(或降压速度)改变一次或多次，由此使负极压力平滑地变化。另外，升压速度能够定义为从目标下限压力达到目标上限压力(降压速度则为从目标上限压力达到目标下限压力)的期间的负极压力的平均变化率、或者某个特定时刻下的负极压力的每单位时间的变化率。
接着，控制器40在步骤S306中，通过净化阀14的开闭动作使排出至容积部12的氮气等惰性气体排出至大气中。在此，在净化失效标志为1的情况下，存在由于封闭固结而无法将氮气等惰性气体从净化阀14排出的可能性，因此对净化阀14发出封闭指令使得氢不会无用地排出。另一方面，在净化失效标志为0的情况下，在能够充分将氮气等惰性气体排出至大气中的时间内始终对净化阀14发出开放指令。另外，在经过用于使氮气等惰性气体从燃料电池堆1充分排出的时间之后，如图11所示，根据由堆温度传感器43检测出的燃料电池堆1的温度、由氢气压力传感器41检测出的实际氢气压力来控制净化阀14的开闭动作，由此能够在将氢排出抑制为所需最低限度的基础上排出从正极透过来的氮气，以提高燃烧消耗率。以上，结束氢控制处理。
此外，如图1所示，控制器40的负极气体控制单元55具有负极上下限压力设定单元61、负极升压速度设定单元62以及负极气体升降压控制单元63，例如，能够由负极上下限压力设定单元61执行上述步骤S301和步骤S302，由负极升压速度设定单元62执行上述步骤S303，由负极气体升降压控制单元63执行上述步骤S305。
图12是表示图2的步骤S107的空气控制处理的详情的流程图。下面，按该图12的流程图来进一步详细说明控制对正极的空气供给的方法。
当开始图12的流程时，控制器40首先在步骤S401中计算目标空气压力。在此，以提高耐久性为目的，通过将图6的步骤S301中计算出的目标上限压力与步骤S302中计算出的目标下限压力的平均值设为目标空气压力，来将燃料电池堆1的正极与负极之间的膜间压力差抑制在允许耐压以下。
接着，控制器40在步骤S402中计算目标空气流量。在此，如图13所示，通过使用基于图2的步骤S101中计算出的目标发电电流和图6的步骤S304中检测出的实际氢气压力的映射数据，来求出以下的空气流量作为目标空气流量：供给燃料电池堆1发电所需的空气，并且使从净化阀14排出的气体的氢浓度为可燃浓度以下以能够排出至大气中。
接着，控制器40在步骤S403中根据步骤S402中计算出的目标空气流量和步骤S401中计算出的目标空气压力，使用图14所示的映射数据来计算空气压缩机指令转速。此外，该映射数据是基于空气压缩机20的转速以及与压力比相对的空气流量的特性而设定的。通过按照此处计算出的空气压缩机指令转速对空气压缩机20进行驱动，来控制供给至燃料电池堆1的正极的空气流量。
接着，控制器40在步骤S404中进行空气的压力控制。在此，进行基于目标空气压力与实际空气压力之间的偏差的反馈控制来进行空气压力调节阀22的开闭动作，以使由空气压力传感器42检测出的实际空气压力与步骤S401中计算出的目标空气压力一致。以上，结束空气控制处理。
以上，举出具体的例子来详细地进行了说明，如所说明的那样，根据本实施方式的燃料电池***，控制器40在执行图6所示的氢控制处理的过程中，将负极升压速度(步骤S303中计算的目标升压速度)设为可以根据由堆温度传感器43检测出的燃料电池堆1的温度而变化，在燃料电池堆1的温度未达到规定温度的情况下，将负极升压速度设定为比燃料电池堆1的温度在规定温度以上的情况慢的速度，因此即使在包括冰点下状态的低温环境下也能够通过供给负极气体来将燃料电池堆1内部的惰性气体适当地排出至燃料电池堆1外部的容积部12，从而能够有效抑制负极催化剂层内的氢分压不足所导致的发电不良，以提高燃料电池堆1的发电性能。
详细叙述，在负极非循环型***中，必须使排出至外部的氢浓度为可燃浓度以下，除此以外，用于排出杂质的净化阀14有时会由于冻结等的影响而发生功能失效，考虑到这种情况，在短时间内将氮气等引起发电不良的杂质排出是较为困难的，但是在这种情况下，只要通过供给氢气来将以燃料气体供给前的氮气为首的杂质推入燃料电池堆1的下游的容积部12也能够得到良好的发电性能。
然而，在包括冰点下环境的低温环境下，由于残留水冻结等的影响，积存在气体扩散层(GDL)内部等的水难以排出。在这种情况下，即使对负极气体流路供给负极气体，上述残留水的存在也会变为障碍，从而变得难以将氢加压输送至负极催化剂层，并且，残留在负极催化剂层内的惰性气体也难以扩散到负极气体流路侧。并且，当残留水的量在单体之间存在偏差时，在供给氢气时容易在单体之间产生压损差。因而，在只能以允许耐压以下的压力供给氢气的负极非循环型***中，当负极气体的供给速度过快时，所供给的负极气体会无法充分浸透到气体扩散层内部，另外，会无法与残留于负极催化剂层内的惰性气体充分置换，而是滑过气体扩散层的表层并在负极气体流路内流动，因此无法将负极催化剂层内的杂质充分推入燃料电池下游的容积部，因此，易于产生负极催化剂层内的氢分压不足所导致的发电不良。
在本实施方式的燃料电池***中，在燃料电池堆1的温度未达到规定温度、即表示处于包括冰点下状态的低温状态的情况下，将负极升压速度设定为慢速度，因此，针对相同的氢气供给量，能够延长使残留于负极催化剂层内的惰性气体向负极气体流路侧扩散并且冲向负极气体流路下游的时间。另外，负极内的气流的流速变低，由此，负极气体流路内的气流的压损与气体扩散层内的气流的压损之差变小，因此，负极气体能够与残留于负极催化剂层内的惰性气体充分置换并且能够浸透至负极催化剂层内。因而，根据本实施方式的燃料电池***，能够抑制导致低温状态下的发电不良的原因，从而能够提高低温环境下的燃料电池堆1的发电性能。
图15是表示冰点下启动时的燃料电池堆1的发电性能的负极升压速度灵敏度的图，(a)表示使负极压力瞬时(例如在0.5[sec]左右的期间内从0[kPaG]到150[kPaG])上升的情况下的发电特性，(b)表示使负极压力慢慢(例如在10[sec]左右的期间内从0[kPaG]到150[kPaG])上升的情况下的发电性能。图15中的细实线表示构成燃料电池堆1的各燃料电压单体的电压(单体电压)的变化。图15中的粗实线表示电流密度(全部燃料电池单体的电流密度的平均值：用从燃料电池堆1取出的电流除以各燃料电池单体的发电区域的总面积而得到的值)的变化。该电流密度的图案是(a)(b)共通的。图15中的粗虚线表示各燃料电池单体的面积比电阻(用单体电压的平均值除以上述电流密度而得到的值)的变化。根据图15可知：与(a)相比(b)的单体电压在单体之间的偏差较小，关于面积比电阻，也是与(a)相比(b)的面积比电阻始终以较大的值稳定变化，在低温环境下通过将负极升压速度设定为慢速度，燃料电池堆1的发电性能提高。
另外，若在燃料电池***启动时是从负极、正极都混入氧的状态起开始供给氢气的，则会在负极内形成氢边界，在负极中被供给氢的区域中发生与通常的动作状态同样的反应，产生正极侧的电位，而在负极中不存在氢的区域中，在与其对峙的正极侧发生上述式(3)所示的反应，其结果是会对承载Pt等催化剂的碳载体产生腐蚀等。关于上述式(3)的反应，在低温状态下电极的活性低，因此上述碳腐蚀在低温状态下难以发生。另一方面，关于上述式(3)的反应，具有以下的倾向：温度越高电极的活性越高，因此上述碳腐蚀也是温度越高越容易产生。
在本实施方式的燃料电池***中，在燃料电池堆1的温度为规定温度以上的情况下，将负极升压速度设定为快速度，因此，能够抑制燃料电池堆1形成氢边界而导致的碳腐蚀劣化，从而能够提高燃料电池堆1的发电性能。
即，在本实施方式的燃料电池***中，在燃料电池堆1的温度未达到规定温度、即表示处于包括冰点下状态的低温状态的情况下，将负极升压速度设定为慢速度，在燃料电池堆1的温度为规定温度以上的情况下将负极升压速度设定为快速度，因此能够兼顾对燃料电池堆1形成氢边界而导致的碳腐蚀劣化进行的抑制以及对低温状态下导致发电不良的原因进行的抑制，从而能够提高在低温环境下使用的燃料电池堆1的发电性能。
另外，一般来说，在负极非循环型***中，为了使负极内的气流长时间持续来延长发电时间，会要求增大燃料电池堆1下游的容积部的容积，但是根据本实施方式的燃料电池***，将负极升压速度设定为慢速度，因此针对相同的氢气供给量，能够使负极内的气流持续比较长的时间，因而，能够使燃料电池堆1下游的容积部小型化，从而使***整体小型化。
并且，根据本实施方式的燃料电池***，控制器40在执行氢控制处理之前判断燃料电池堆1的残留水量状态(图2的步骤S104)，在由于燃料电池堆1的温度未达到规定温度而将负极升压速度设定为慢速度的情况下，负极残留水量越少，将负极升压速度设定得越快，因此，即使在低温环境下也能够在负极残留水量少的状况下提高燃料电池堆1的发电响应性，从而提高低温环境下的燃料电池堆1的发电性能。
图16是表示冰点下启动时的燃料电池堆1的发电性能的负极残留水量灵敏度的图，与图15的(a)同样地，表示使负极压力瞬时(例如在0.5[sec]左右的期间内从0[kPaG]到150[kPaG])上升的情况下的发电性能。图16与图15的(a)的不同点在于：与图15的(a)的情况相比，在图16中上一次发电停止处理中的干燥处理实施时间更长。与图15同样地，图16中的细实线表示构成燃料电池堆1的各燃料电压单体的电压(单体电压)的变化，图16中的粗实线表示电流密度的变化，图16中的粗虚线表示各燃料电池单体的面积比电阻的变化。另外，图16的电流密度的图案与图15的(a)(b)的电流密度的图案是共通的。根据图16可知：与图15的(a)相比图16的单体电压在单体之间的偏差较小，关于面积比电阻，也是与图15的(a)相比图16的面积比电阻始终以较大的值稳定变化，即使在低温环境下，也能够在负极残留水量少的状况下通过将负极升压速度设定为快速度来得到更为优秀的燃料电池堆1的发电性能。
另外，在本实施方式的燃料电池堆1中，在停止发电之后，在燃料电池堆1内不会由于发电而新产生生成水，但是随着发电停止后时间经过，燃料电池堆1内的残留的水由于扩散、流动等在燃料电池堆1内移动，因此燃料电池堆1内的水分布发生变化。从发电停止起经过的时间越长，该水分布的变化越大，残留水越会扩散到燃料电池单体的发电区域的更广阔的范围。即，在发电停止后，燃料电池堆1达到冰点下状态之前的时间越长，冻结的残留水就会分布于燃料电池单体的发电区域的越广阔的范围。
图17是表示冰点下启动时的燃料电池堆1的发电性能的放置时间(在发电停止后，燃料电池堆1达到冰点下状态之前的时间)灵敏度的图，图中的细实线表示放置时间0分后启动时的平均单体电压(单体电压的平均值)的变化，虚线表示放置时间90分后启动时的平均单体电压的变化，粗实线表示放置一晚后启动时的平均单体的电压的变化。此外，其它运转条件(电流密度的图案、负极压力及其升压速度等)在各情况下是共通的。如图17所示，从发电停止起的经过时间越长，启动时的平均单体电压越低，推测燃料电池堆1内的残留水分布的变化是影响燃料电池堆1的发电性能的因素。
根据本实施方式的燃料电池***，控制器40在执行氢控制处理之前测量或估计燃料电池堆1的发电停止持续时间(图2的步骤S105)，在由于燃料电池堆1的温度未达到规定温度而将负极升压速度设定为慢速度的情况下，燃料电池堆1的发电停止持续时间越短，将负极升压速度设定得越快，因此，即使在低温环境下，也能够在发电停止持续时间短的状况下提高燃料电池堆1的发电响应性，从而提高低温环境下的燃料电池堆1的发电性能。
另外，一般用下式(4)求出气体的扩散量。
气体扩散量＝-扩散系数(D)×浓度梯度…(4)
在此，扩散系数(D)一般来说与温度(T)具有下式(5)的关系。
扩散系数(D)∝温度(T)^2/3/碰撞积分(ΩD)…(5)
在被假设为燃料电池堆1的使用环境的下限温度(例如-20℃)环境下，扩散系数(D)预计从式(5)减少到通常的温度(例如20℃)环境下的扩散系数的约60％左右，另外，一般认为气体扩散量也从式(4)减少与扩散系数相同程度的比例。并且，在燃料电池堆1在负极残留水未被完全去除的状态下达到冰点下状态的情况下，由于残留水冻结，氢气所能够扩散的负极催化剂层的范围(面积)减少，因此一般认为到达负极催化剂层的氢的量减少了上述气体扩散量的减少量以上。
根据本实施方式的燃料电池***，控制器40在执行图6所示的氢控制处理的过程中，使负极下限压力(步骤S302中计算出的目标下限压力)可以与由堆温度传感器43检测出的燃料电池堆1的温度相应地改变，在燃料电池堆1的温度未达到规定温度的情况下将负极下限压力设定为比燃料电池堆1为规定温度以上的情况高的值，因此，即使在燃料电池堆1处于低温状态的情况下，氢气也更加易于到达负极催化剂层内，因此确保了负极催化剂层的氢分压，从而抑制了导致发电不良的原因，由此能够提高低温环境下的燃料电池堆1的发电性能。
图18是表示冰点下启动时的燃料电池堆1的发电性能的负极压力灵敏度的图，(a)表示使负极压力上升到150[kPaG]的情况下的发电性能，(b)表示使负极压力上升到200[kPaG]的情况下的发电性能。此外，关于该升压所花费的时间，(a)(b)都与图15的(a)同样为0.5[sec]左右。与图15和图16同样地，图18中的细实线表示构成燃料电池堆1的各燃料电压单体的电压(单体电压)的变化，图18中的粗实线表示电流密度的变化，图18中的粗虚线表示各燃料电池单体的面积比电阻的变化。另外，图18的电流密度的图案与图15和图16的电流密度的图案是共通的。根据图18，可知：与(a)相比(b)的单体电压在单体之间的偏差较小，关于面积比电阻，也是与(a)相比(b)的面积比电阻始终以较大的值稳定变化，通过在低温环境下将负极下限压力设定得高，燃料电池堆1的发电性能提高。
另一方面，正极-负极间的气体透过量存在燃料电池堆1的温度越高气体透过量越增加的倾向，因此，如果不在短时间内排出从正极侧透过至负极侧的氮气、水蒸气等阻碍发电的杂质，则燃料电池堆1的温度越高，越有可能由于负极催化剂层内的氢分压不足而产生发电不良。
根据本实施方式的燃料电池***，在燃料电池堆1的温度为规定温度以上的情况下，将负极下限压力设定为低压力，因此增大了与负极上限压力之间的压力差，从而能够在短时间内高效将负极内部的氮气、水蒸气等杂质排出至下游的容积部12。即，在本实施方式的燃料电池***中，按照燃料电池堆1的温度来高效确保负极催化剂层的氢分压，从而抑制导致发电不良的原因，由此能够提高低温环境下的燃料电池堆1燃料电池堆1的发电性能。
另外，根据本实施方式的燃料电池***，在燃料电池堆1的温度未达到规定温度的情况下将负极下限压力设定为比燃料电池堆1为规定温度以上的情况高的值，使负极压力维持比较高的值，因此，有效抑制了已推入容积部12的杂质逆流到负极内部，从而抑制了由于杂质逆流而形成氢边界所导致的碳腐蚀劣化，同时，确保了负极催化剂层的氢分压，从而抑制了导致发电不良的原因，由此能够提高低温环境下的燃料电池堆1的发电性能。
并且，在本实施方式的燃料电池***中，控制器40在执行氢控制处理之前判断净化阀14是否由于冻结而发生功能失效(图2的步骤S103)，在设定负极下限压力时，在判断为净化阀14发生功能失效的情况下，将负极下限压力设定为比判断为未发生功能失效的情况高的压力，因此，有效抑制了净化阀14发生功能失效时所担心的源于负极气体的逆流而使燃料电池堆1形成氢边界所导致的碳腐蚀劣化，同时，确保了负极催化剂层的氢分压，从而抑制了导致发电不良的原因，由此能够提高低温环境下的燃料电池的发电性能。
即，在设置于负极下游的净化阀14由于冻结而发生功能失效的情况下，无法将已推入燃料电池堆1下游的容积部12的氮气、水蒸气等杂质适当地排出至净化阀14的下游侧。在这种情况下，随着时间经过，上述杂质存在由于反复的负极压力的升降、气体扩散等的影响而逆流至负极内部的倾向，由于该杂质的逆流，可能会产生负极催化剂层的氢分压不足所导致的发电不良、形成氢边界所导致的碳腐蚀劣化等。
根据本实施方式的燃料电池***，在判断为净化阀14发生功能失效的情况下将负极下限压力设定为高压力，将负极压力维持为比较高的值，因此，有效抑制了已推入容积部12的杂质逆流至负极内部，从而抑制了由于杂质逆流而形成氢边界所导致的碳腐蚀劣化，同时，确保了负极催化剂层的氢分压，从而抑制了导致发电不良的原因，由此能够提高低温环境下的燃料电池的发电性能。
以上，说明了本发明的实施方式，但是这些实施方式不过是为了容易理解本发明而记载的单纯的例示，本发明并不限定于这些实施方式。本发明的技术范围不限于上述实施方式中公开的具体技术事项，也包括基于该公开能够容易地导出的各种变形、变更、替代技术等。
本申请主张2009年9月16日在日本申请的专利申请第2009-214321号的优先权作为申请基础，该申请的全部内容作为参照被本说明书引用。
产业上的可利用性
根据本发明，在燃料电池的温度未达到规定温度的情况下将负极升压速度设定为比燃料电池为规定温度以上的情况慢的速度，因此，即使在包括冰点下状态的低温环境下，也能够通过供给负极气体来将燃料电池内部的惰性气体适当地排出至燃料电池外部的容积部，从而能够有效抑制负极催化剂层内的氢分压不足所导致的发电不良，以提高燃料电池的发电性能。
附图标记说明
1：燃料电池堆；11：氢气压力调节阀；12：容积部；14：净化阀；40：控制器；41：氢气压力传感器；43：堆温度传感器；44：净化阀温度传感器。

Claims (10)

1.一种燃料电池***的控制装置，该燃料电池***是负极非循环型的燃料电池***，具备：燃料电池；容积部，其能够暂时贮存从上述燃料电池排出的负极排气；排出单元，其将上述负极排气排出至外部；以及温度检测单元，其检测上述燃料电池的温度，该燃料电池***的控制装置的特征在于，
具备负极气体供给控制单元，该负极气体供给控制单元控制向燃料电池进行的负极气体的供给，
上述负极气体供给控制单元具有：
负极上下限压力设定单元，其设定负极上限压力和负极下限压力；
负极升压速度设定单元，其至少根据由上述温度检测单元检测出的上述燃料电池的温度来设定负极升压速度；以及
负极气体升降压控制单元，其重复进行升压和降压，其中，通过供给负极气体来进行升压，使压力以上述负极升压速度上升至上述负极上限压力，通过限制负极气体的供给来进行降压，使压力下降至上述负极下限压力，
其中，在由上述温度检测单元检测出的上述燃料电池的温度未达到规定温度的情况下，上述负极升压速度设定单元将上述负极升压速度设定为比上述燃料电池的温度为上述规定温度以上的情况慢的速度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池***的控制装置，其特征在于，
还具备负极残留水量估计单元，该负极残留水量估计单元估计残留在上述燃料电池的负极中的水量，
在由上述温度检测单元检测出的上述燃料电池的温度未达到上述规定温度的情况下，由上述负极残留水量估计单元估计出的残留在负极中的水量越少，上述负极升压速度设定单元将上述负极升压速度设定为越快的速度。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池***的控制装置，其特征在于，
还具备发电停止持续时间计算单元，该发电停止持续时间计算单元测量或估计燃料电池的发电停止持续时间，
在由上述温度检测单元检测出的上述燃料电池的温度未达到上述规定温度的情况下，由上述发电停止持续时间计算单元测量或估计出的燃料电池的发电停止持续时间越短，上述负极升压速度设定单元将上述负极升压速度设定为越快的速度。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池***的控制装置，其特征在于，
在由上述温度检测单元检测出的上述燃料电池的温度未达到上述规定温度的情况下，上述负极上下限压力设定单元将上述负极下限压力设定为比上述燃料电池的温度在上述规定温度以上的情况高的值。
5.根据权利要求3所述的燃料电池***的控制装置，其特征在于，
在由上述温度检测单元检测出的上述燃料电池的温度未达到上述规定温度的情况下，上述负极上下限压力设定单元将上述负极下限压力设定为比上述燃料电池的温度在上述规定温度以上的情况高的值。
6.根据权利要求1或2所述的燃料电池***的控制装置，其特征在于，
还具备净化功能失效判断单元，该净化功能失效判断单元判断上述排出单元是否由于冻结而发生功能失效，
在由上述净化功能失效判断单元判断为上述排出单元发生功能失效的情况下，上述负极上下限压力设定单元将上述负极下限压力设定为比判断为上述排出单元未发生功能失效的情况高的值。
7.根据权利要求3所述的燃料电池***的控制装置，其特征在于，
还具备净化功能失效判断单元，该净化功能失效判断单元判断上述排出单元是否由于冻结而发生功能失效，
在由上述净化功能失效判断单元判断为上述排出单元发生功能失效的情况下，上述负极上下限压力设定单元将上述负极下限压力设定为比判断为上述排出单元未发生功能失效的情况高的值。
8.根据权利要求4所述的燃料电池***的控制装置，其特征在于，
还具备净化功能失效判断单元，该净化功能失效判断单元判断上述排出单元是否由于冻结而发生功能失效，
在由上述净化功能失效判断单元判断为上述排出单元发生功能失效的情况下，上述负极上下限压力设定单元将上述负极下限压力设定为比判断为上述排出单元未发生功能失效的情况高的值。
9.根据权利要求5所述的燃料电池***的控制装置，其特征在于，
还具备净化功能失效判断单元，该净化功能失效判断单元判断上述排出单元是否由于冻结而发生功能失效，
在由上述净化功能失效判断单元判断为上述排出单元发生功能失效的情况下，上述负极上下限压力设定单元将上述负极下限压力设定为比判断为上述排出单元未发生功能失效的情况高的值。
10.一种燃料电池***的控制方法，该燃料电池***是负极非循环型的燃料电池***，具备：燃料电池；容积部，其能够暂时贮存从上述燃料电池排出的负极排气；以及排出单元，其将上述负极排气排出至外部；该燃料电池***的控制方法的特征在于，包括以下步骤：
检测上述燃料电池的温度，
设定负极上限压力和负极下限压力，
至少根据所检测出的燃料电池的温度来设定负极升压速度，
以重复进行升压和降压的方式对上述燃料电池供给负极气体，其中，通过供给负极气体来进行升压，使压力以上述负极升压速度上升至上述负极上限压力，通过限制负极气体的供给来进行降压，使压力下降至上述负极下限压力，
在所检测出的燃料电池的温度未达到规定温度的情况下，将上述负极升压速度设定为比燃料电池的温度为上述规定温度以上的情况慢的速度。
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